DE3787911T2 - Setup for use in a magnetic induction recording medium and method for manufacturing a magnetic storage device. - Google Patents
Setup for use in a magnetic induction recording medium and method for manufacturing a magnetic storage device.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau zur Anwendung in einem magnetischen Induktionsaufzeichnungsträger, bestehend aus einem Substrat, einem Film eines auf dem Substrat aufgebrachten Aufzeichnungsmediums und einer auf dem Film vorgesehenen Schutzschicht. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Dünnschicht-Magnetaufzeichnungsträger und noch spezieller auf magnetische Träger mit Beschichtung aus einem Material, das Korrosion verhindert, die Verschleißfestigkeit erhöht und die Koeffizienten der dynamischen sowie der statischen Reibung zwischen Kopf und Träger verringert.The present invention relates to a structure for use in a magnetic induction recording medium, comprising a substrate, a film of a recording medium applied to the substrate and a protective layer provided on the film. The invention relates in particular to thin-film magnetic recording media and even more specifically to magnetic media coated with a material which prevents corrosion, increases wear resistance and reduces the coefficients of dynamic and static friction between the head and the media.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Datenspeichervorrichtung zur Verwendung für die magnetische Induktionsaufzeichnung, das die Verfahrensschritte der Ausbildung eines Films aus einem magnetischen Aufzeichnungsmedium auf einem Substrat und des Aufbringens einer Schutzschicht über dem magnetischen Aufzeichnungsmedium unter Vakuum umfaßt.The invention further relates to a method for producing a magnetic data storage device for use in magnetic induction recording, which comprises the steps of forming a film of a magnetic recording medium on a substrate and applying a protective layer over the magnetic recording medium under vacuum.
Magnetische metallische Dünnschichtplatten zu Speicherzwecken bestehen in der Regel aus einem Substrat, das mit einem als Aufzeichnungsmedium dienenden magnetischen Legierungsfilm beschichtet ist. Normalerweise handelt es sich bei dem für derartige Platten verwendeten Aufzeichnungsmedium um eine Legierung auf Kobaltbasis wie zum Beispiel Co-Ni, Co-Cr, Co-Ni-Cr, Co-Pt oder Co-Ni-Pt, die durch Vakuumaufstäubung aufgebracht wird, wie dies von J. K. Howard in seinem im Januar 1986 in der Fachzeitschrift Journal of Vacuum Science & Technoiogy veröffentlichten und hierin als Referenz aufgeführten Artikel "Thin Films For Magnetic Recording Technology: A Review" (Dünnschichten für die Magnetaufzeichnungstechnologie:Thin film magnetic metal disks for storage purposes typically consist of a substrate coated with a magnetic alloy film that serves as a recording medium. Typically, the recording medium used for such disks is a cobalt-based alloy such as Co-Ni, Co-Cr, Co-Ni-Cr, Co-Pt or Co-Ni-Pt deposited by vacuum sputtering as described by J. K. Howard in his article "Thin Films For Magnetic Recording Technology: A Review" published in the Journal of Vacuum Science & Technology in January 1986 and incorporated by reference herein.
Eine Übersicht) erläutert wurde. Zu weiteren Aufzeichnungsmedien nach dem Stand der Technik gehören durch chemische Plattierung aufgebrachte Co-P- oder Co-Ni-P Filme, wie dies von Tu Chen und anderen in dem im März 1978 in der Fachzeitschrift Journal of Applied Physics erschienenen Artikel "Microstructure and Magnetic Properties of Electroless Co-P Thin Films Grown on an Aluminum Base Disk Substrate" (Mikrostruktur und magnetische Eigenschaften von auf einem Plattensubstrat auf Aluminiumbasis ausgebildeten autokatalytischen Co-P Dünnschichten) und von Y. Suganuma et al. in dem im November 1982 in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Magnetics veröffentlichten Artikel "Production Process and High Density Recording characteristics of Plated Disks" (Herstellungsverfahren und Eigenschaften einer hochdichten Aufzeichnung auf beschichteten Platten) beschrieben wurde, die hierin ebenfalls als Referenz aufgeführt sind. Bei der Verwendung ungeschützter metallischer Dünnschichtaufzeichnungsmedien treten verschiedene Probleme auf. So neigen zum Beispiel ungeschützte metallische Dünnschichten insbesondere bei hoher Feuchtigkeit zur Korrosionsbildung. Des weiteren besitzen derartige Filme nur eine sehr geringe Festigkeit gegenüber dem durch häufigen Kontakt mit dem Aufzeichnungskopf verursachten Verschleiß.A Review). Other prior art recording media include Co-P or Co-Ni-P films deposited by electroless plating as described by Tu Chen et al. in their March 1978 Journal of Applied Physics article "Microstructure and Magnetic Properties of Electroless Co-P Thin Films Grown on an Aluminum Base Disk Substrate" and by Y. Suganuma et al. in their November 1982 IEEE Transactions on Magnetics article "Production Process and High Density Recording characteristics of Plated Disks," which are also incorporated herein by reference. Various problems arise when using unprotected metallic thin-film recording media. For example, unprotected metallic thin films tend to corrode, particularly in high humidity. Furthermore, such films have very little resistance to wear caused by frequent contact with the recording head.
Zur Vermeidung dieser Probleme ist es auf dem Gebiet der Aufzeichnungstechnik bekannt, daß durch überziehen der Dünnschicht-Magnetaufzeichnungsmedien mit einer harten Schutzschicht beispielsweise aus Kohlenstoff oder SiO&sub2; die Verschleißfestigkeit der Aufzeichnungsmedien verbessert und auch ein gewisser Korrosionsschutz des Magnetfilms unter Umgebungsverhältnissen mit geringer Feuchtigkeit und mit niedriger Temperatur erreicht wird. Kohlenstoffüberzüge für Magnetplatten sind von F. K. King in dem im Juli 1981 in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Magnetics erschienenen Artikel "Datapoint Thin Film Media" (Datapoint-Dünnschichtmedien) sowie in der am 18. Mai 1977 von Hinata et al. eingereichten Japanischen Patentanmeldung 58410/77 beschrieben, die hierin als Referenz aufgeführt sind. Grundsätzlich ist es möglich, den Korrosionsschutz durch Verstärkung der Dicke des Kohlenstoff- oder SiO&sub2; Überzugs zu verbessern. Die für Hochleistungsplattenmedien zulässige maximale überzugdicke beträgt nur etwa 50 nm, damit der Lese-Schreib-Kopf dicht über die Medien geführt werden kann. Ein ebenfalls wichtiger Aspekt ist darin zu sehen, daß die elektrische Leistung der Platte eine Verbesserung erfährt, wenn der Überzug noch dünner ausgeführt wird. Die Verringerung der Überzugdicke führt zu einer Verringerung der "effektiven Flughöhe" des Kopfes über den Medien (d. h. des Abstands zwischen der Oberfläche des Kopfes und der Magnetschicht) und verbessert somit das signal-Rauschverhältnis (S/N), die Auflösung und die Überschreibeigenschaften der Aufzeichnungsmedien. Bei einer Dicke des Kohlenstoff- oder SiO&sub2; Überzugs von weniger als 50 nm jedoch bietet der Überzug für die magnetischen Medien leider keinen ausreichenden Korrosionsschutz mehr.To avoid these problems, it is known in the recording arts that by coating thin film magnetic recording media with a hard protective layer, for example made of carbon or SiO2, the wear resistance of the recording media is improved and also a certain corrosion protection of the magnetic film is achieved under low humidity and low temperature environments. Carbon coatings for magnetic disks are described by FK King in the article "Datapoint Thin Film Media" published in IEEE Transactions on Magnetics in July 1981 and in Japanese Patent Application 58410/77 filed by Hinata et al. on May 18, 1977, which are incorporated herein by reference. In principle, it is possible to improve corrosion protection by increasing the thickness of the Carbon or SiO₂ coating. The maximum coating thickness allowed for high performance disk media is only about 50 nm, so that the read/write head can be moved closely over the media. Another important aspect is that the electrical performance of the disk is improved when the coating is made even thinner. Reducing the coating thickness leads to a reduction in the "effective flying height" of the head above the media (i.e. the distance between the surface of the head and the magnetic layer) and thus improves the signal-to-noise ratio (S/N), the resolution and the overwriting properties of the recording media. Unfortunately, when the carbon or SiO₂ coating is less than 50 nm, the coating no longer offers sufficient corrosion protection for the magnetic media.
Die japanische Patentanmeldung JP-A-60-258727 beschreibt einen Aufbau bestehend aus einem Substrat, einem magnetischen Aufzeichnungsmedium, einer Schutzschicht und einer unter Vakuum aufgebrachten festen Gleitmittelschicht. Die Gleitmittelschicht wird durch Polymerisation von Kohlenstoffplasma hergestellt.The Japanese patent application JP-A-60-258727 describes a structure consisting of a substrate, a magnetic recording medium, a protective layer and a solid lubricant layer applied under vacuum. The lubricant layer is produced by polymerizing carbon plasma.
In der japanischen Patentanmeldung JP-A-60-258727 wird vorgeschlagen, daß die Schutzschicht aus mindestens einem der nachstehenden Materialien bestehen kann: einem nichtmagnetischen Metall wie zum Beispiel Rh, Cr oder Ni-P, einem Oxid wie beispielsweise SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, TiO&sub2; und ZrO&sub2;, einem Kohlenstoff zum Beispiel in Graphit- oder Diamantform, einem Karbid wie beispielsweise SiC, WC, TiC, NbC und B&sub4;C oder einem Nitrid wie zum Beispiel CrN, TiN, NbN und ZrN. Die japanische Patentanmeldung JP-A-60-258727 unterstreicht die Notwendigkeit eines Überziehens der Schutzschicht mit einem unter Vakuum auf gebrachten festen Gleitmittel. Außerdem ist festgestellt worden, daß zumindest einige der Oxide wie zum Beispiel Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub3; ohne Aufbringung eines festen Gleitmittels unter Vakuum zu schlechten Ergebnissen führen.In Japanese patent application JP-A-60-258727 it is suggested that the protective layer may consist of at least one of the following materials: a non-magnetic metal such as Rh, Cr or Ni-P, an oxide such as SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ and ZrO₂, a carbon such as in graphite or diamond form, a carbide such as SiC, WC, TiC, NbC and B₄C or a nitride such as CrN, TiN, NbN and ZrN. Japanese patent application JP-A-60-258727 highlights the need for coating the protective layer with a solid lubricant applied under vacuum. It has also been found that at least some of the oxides such as Al₂O₃ and SiO₃ without application of a solid lubricant under vacuum can lead to poor results.
Die japanische Patentanmeldung JP-A-58-019739 ist der japanischen Patentanmeldung JP-A-60-258727 ähnlich abgesehen davon, daß in ihr die Verwendung von Molybdändisulfid und Wolframdisulfid als festes Gleitmittel empfohlen wird und daß sie ein Magnetband zum Gegenstand hat. Es ist berichtet worden, daß ohne solch ein festes Gleitmittel unzureichende Ergebnisse erzielt werden (siehe Tabelle in JP-A-58-019739). In völligem Gegensatz zu den Aussagen der japanischen Patentanmeldungen JP-A-58-019739 und JP-A-60-258727 ist es nicht notwendig, die nach JP-A-58-019739 und JP-A-60-258727 geforderten Überzüge aus festem Gleitmittel auf einem nach der Erfindung aufgebauten Dünnschichtoxid aufzubringen, um herausragende Ergebnisse zu erreichen und zu einer erstaunlich geringen Reibung zu gelangen.Japanese Patent Application JP-A-58-019739 is similar to Japanese Patent Application JP-A-60-258727 except that it recommends the use of molybdenum disulfide and tungsten disulfide as a solid lubricant and that it relates to a magnetic tape. It has been reported that unsatisfactory results are obtained without such a solid lubricant (see table in JP-A-58-019739). In complete contrast to the statements in Japanese patent applications JP-A-58-019739 and JP-A-60-258727, it is not necessary to apply the coatings of solid lubricant required by JP-A-58-019739 and JP-A-60-258727 to a thin-film oxide constructed according to the invention in order to achieve outstanding results and to achieve astonishingly low friction.
Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes von Magnetmedien durch Kohlenstoff ist es nach dem Stand der Technik bekannt, zwischen den magnetischen Dünnschichtmedien und dem Überzug eine dünne Chromschicht aufzubringen. Bei dieser mehrschichtigen Überzugstruktur bietet die Chromschicht die Gewähr für eine bessere Korrosionsbeständigkeit, während der Kohlenstoffüberzug eine gute Verschleißfestigkeit bewirkt.In order to improve the corrosion protection of magnetic media using carbon, it is known in the art to apply a thin layer of chromium between the thin-film magnetic media and the coating. In this multi-layer coating structure, the chromium layer ensures better corrosion resistance, while the carbon coating provides good wear resistance.
Um durch die mehrschichtige Kohlenstoff-/Chromstruktur einen effektiven Korrosionsschutz und eine gute Verschleißfestigkeit zu gewährleisten, muß die Gesamtdicke des Überzugs mehr als 50 nm betragen, was für eine Hochleistungsplatte nicht wünschenswert ist.In order to ensure effective corrosion protection and good wear resistance through the multi-layer carbon/chromium structure, the total thickness of the coating must be more than 50 nm, which is not desirable for a high-performance plate.
Wie bereits erwähnt, muß der Überzug den Magnetfilm nicht nur gegen Korrosion, sondern auch vor Verschleiß schützen. Eine weitere Forderung besteht darin, die Koeffizienten der statischen und dynamischen Reibung zwischen dem Lese-Schreib-Kopf und dem Überzug auf die Dauer einer großen Anzahl von Start/- Stopp-Zyklen niedrig zu halten. (Der Koeffizient der statischen Reibung ist das Verhältnis der Querkraft zur senkrechten Belastung des Kopfes, wenn die Platte sich zu drehen beginnt. Der Koeffizient der dynamischen Reibung ist das Verhältnis der Querkraft zur senkrechten Belastung, nachdem die Platte sich zu drehen angefangen hat.) Ist der Koeffizient der statischen Reibung zwischen dem Kopf und dem Überzugsmaterial zu groß (größer als 1,0), so ist es für einen im Laufwerk vorgesehenen Kleinmotor schwierig, die Drehung der Platte aus dem Stillstand heraus einzuleiten; und wird ein großer Motor zum Antrieb der Platte eingesetzt, so kann dieser dazu führen, daß der Kopf von der Kopfaufhängung abbricht. Sind darüberhinaus die Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung zu hoch, so führt der mechanische Kontakt zwischen dem Lese- Schreib-Kopf und der Platte zu einem übermäßigen Verschleiß des Überzugs und schließlich zu einer Kollision des Kopfes.As already mentioned, the coating must protect the magnetic film not only against corrosion but also against wear. Another requirement is to keep the coefficients of static and dynamic friction between the read/write head and the coating low over a large number of start/stop cycles. (The coefficient of static friction is the ratio of the transverse force to the vertical load on the head when the disk starts to rotate. The coefficient of dynamic friction is the ratio of the (Transverse force to vertical load after the disk has started rotating.) If the coefficient of static friction between the head and the coating material is too large (greater than 1.0), it is difficult for a small motor provided in the drive to initiate rotation of the disk from a standstill; and if a large motor is used to drive the disk, this may cause the head to break off the head mount. In addition, if the coefficients of static and dynamic friction are too high, mechanical contact between the read/write head and the disk will cause excessive wear of the coating and ultimately a collision of the head.
Dreht die Platte im Laufwerk, so ist der Kopf in der Regel in einem Abstand von 125 nm bis 375 nm oberhalb der Platte "fliegend" gelagert. Bei Abschaltung des Laufwerks gelangt der Kopf mit der Platte in körperlichen Kontakt. Da das Laufwerk mit großer Wahrscheinlichkeit während seines Lebens wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, muß der Überzug den Magnetfilm vor Verschleiß schützen und müssen gleichzeitig die Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung zwischen dem Kopf und dem Überzug nach wiederholten Start/ Stopp-Zyklen niedrig gehalten werden. Es ist nachgewiesen worden, daß trotz der Tatsache, daß harte Kohlenstoff- und SiO&sub2;-Überzüge sehr verschleißbeständig sind, sich ihre Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung nach mehrmaligen Start/- Stopp-Zyklen drastisch erhöhen.When the disk is rotating in the drive, the head is usually "floating" at a distance of 125 nm to 375 nm above the disk. When the drive is turned off, the head comes into physical contact with the disk. Since the drive is likely to be turned on and off repeatedly during its life, the coating must protect the magnetic film from wear and at the same time keep the coefficients of static and dynamic friction between the head and the coating low after repeated start/stop cycles. It has been shown that despite the fact that hard carbon and SiO2 coatings are very wear-resistant, their coefficients of static and dynamic friction increase dramatically after repeated start/stop cycles.
Angesichts der vorbeschriebenen mechanischen Probleme und der Probleme in bezug auf Korrosion wäre es wünschenswert, auf eine Magnetplatte ein Überzugsmaterial aufzutragen, mit dem der Korrosionsschutz des Magnetfilms ohne eine zu große Dicke verbessert würde und gleichzeitig eine gute Verschleißfestigkeit in Verbindung mit gleichbleibend niedrigen Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung erreicht werden könnten.In view of the mechanical and corrosion problems described above, it would be desirable to apply a coating material to a magnetic disk that would improve the corrosion protection of the magnetic film without excessive thickness and at the same time achieve good wear resistance combined with consistently low coefficients of static and dynamic friction.
Der Aufbau nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht vakuumbeschichtetes ZrO&sub2; und einen Stabilisator aufweist, wobei die Schutzschicht die oberste unter Vakuum aufgebrachte Beschichtung auf der Struktur bildet und frei von sonstigen vakuumbeschichteten festen Gleitmitteln ist. Bei den Magnetaufzeichnungsmedien kann es sich um jedes geeignete Medium wie zum Beispiel Co-Pt, Co-Ni- Cr, Co-Ni-Pt, Co-Cr, Co-Ni, Co-Cr-Pt oder eine sonstige Legierung auf Kobaltbasis handeln, die durch Aufstäuben oder Plattieren aufgebracht werden, oder um Co-P oder Co-Ni-P mit Auftrag nach einem chemischen Plattierungsverfahren. Darüberhinaus können die Magnetaufzeichnungsmedien auch eine Legierung auf Eisenbasis sein. Wir haben festgestellt, daß eine dünne Schicht aus Zirkonoxid die Korrosion in derartigen Filmen wesentlich verhindert und daß selbst nach wiederholten Start/Stopp-Zyklen der Koeffizient für die statische Reibung niedrig ist.The structure according to the present invention is characterized in that the protective layer comprises vacuum-deposited ZrO₂ and a stabilizer, the protective layer being the topmost vacuum-deposited coating on the structure and being free of other vacuum-deposited solid lubricants. The magnetic recording media may be any suitable medium such as Co-Pt, Co-Ni-Cr, Co-Ni-Pt, Co-Cr, Co-Ni, Co-Cr-Pt or other cobalt-based alloy applied by sputtering or plating, or Co-P or Co-Ni-P applied by a chemical plating process. In addition, the magnetic recording media may also be an iron-based alloy. We have found that a thin layer of zirconia significantly inhibits corrosion in such films and that even after repeated start/stop cycles the coefficient of static friction is low.
Bevorzugt wird die Schicht aus Zirkonoxid durch Aufstäubung aufgebracht. Nach einer Ausführungsform umfaßt das zur Ausbildung der ZrO&sub2; -Schicht vorgesehene Aufstäubungsziel eine feste Lösung aus ZrO&sub2; und einen Stabilisator wie beispielsweise Y&sub2;O&sub3;, CaO, MgO oder irgendeinen sonstigen Stabilisator aus einer Reihe von Stabilisatoren.Preferably, the layer of zirconium oxide is applied by sputtering. In one embodiment, the sputtering target intended for forming the ZrO2 layer comprises a solid solution of ZrO2 and a stabilizer such as Y2O3, CaO, MgO or any other stabilizer from a range of stabilizers.
Nach einer Ausführungsform wird eine Zwischenschicht des Materials zwischen der ZrO&sub2;-Schicht und dem Magnetmedium ausgebildet. Hierbei ist wichtig, daß die Zwischenschicht fest an sowohl der ZrO&sub2;-Schicht als auch am Medium haftet.According to one embodiment, an intermediate layer of the material is formed between the ZrO₂ layer and the magnetic medium. It is important that the intermediate layer adheres firmly to both the ZrO₂ layer and the medium.
Wir haben festgestellt, daß durch die Zwischenschicht die Verschleißfestigkeit der Platte verbessert wird. Außerdem wird die Tendenz zu einer Erhöhung der Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung nach wiederholten Start/Stopp- Zyklen durch das Vorhandensein der Zwischenschicht herabgesetzt. Der Grund hierfür ist der, daß ohne die Zwischenschicht die Beanspruchung der Haftung zwischen dem ZrO&sub2; und den Medien durch die gegen die Platte wirkende Reibkraft des Lese-Schreib- Kopfes nach wiederholten Start/Stopp-Zyklen zu einem Abschälen und zu Blasenbildung der ZrO&sub2;-Schicht führen kann, wenn die Haftung zwischen dem ZrO&sub2; und den Magnetmedien nicht stark genug ist. Durch das Abschälen können Unebenheiten auf der Medienoberfläche entstehen, welche die statische und die dynamische Reibung zwischen dem Kopf und der Platte verstärken und somit zu einem größeren Verschleiß führen. Durch das Abschälen werden außerdem zwischen dem Kopf und der Medienoberfläche (hauptsächlich aus Überzugsmaterial bestehende) Rückstände eingeschlossen, wodurch sich die statische und die dynamische Reibung weiter erhöhen. Dies kann schließlich zu einer Kollision des Kopfes oder zu einem sprunghaft auftretenden Vollausfall führen. Durch Ausbildung der Zwischenschicht, die durch eine starke Haftung an sowohl der ZrO&sub2;-Schicht als auch den Medien gekennzeichnet ist, lassen sich Abschälen und Blasenbildung weitgehendst vermeiden und die Tendenz zur Erhöhung der Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung in Abhängigkeit von der Anzahl der Start/Stopp-Zyklen kann herabgesetzt werden.We have found that the intermediate layer improves the wear resistance of the plate. In addition, the tendency for the coefficients of static and dynamic friction to increase after repeated start/stop cycles is reduced by the presence of the intermediate layer. The reason for this is that without the intermediate layer The stress on the adhesion between the ZrO2 and the media caused by the frictional force of the read/write head against the disk after repeated start/stop cycles can lead to peeling and blistering of the ZrO2 layer if the adhesion between the ZrO2 and the magnetic media is not strong enough. Peeling can cause bumps on the media surface, increasing the static and dynamic friction between the head and the disk, thus leading to greater wear. Peeling also traps debris between the head and the media surface (mainly coating material), further increasing the static and dynamic friction. This can eventually lead to head collision or sudden failure. By forming the intermediate layer, which is characterized by a strong adhesion to both the ZrO2 layer and the media, peeling and blistering can be largely avoided and the tendency to increase the coefficients of static and dynamic friction depending on the number of start/stop cycles can be reduced.
Nach einer Ausführungsform mit einem ZrO&sub2;-Überzug umfaßt die Zwischenschicht in der Regel Chrom, Zirkon, Hafnium, Titan, Tantal, Wolfram oder eine aus diesen Elementen bestehende Legierung.According to an embodiment with a ZrO₂ coating, the intermediate layer typically comprises chromium, zirconium, hafnium, titanium, tantalum, tungsten or an alloy consisting of these elements.
Es sei erwähnt, daß eine Zwischenschicht der vorstehend beschriebenen Art auch in Verbindung mit anderen Überzügen als nur ZrO&sub2; vorgesehen werden kann. So ist zum Beispiel nach einer Ausführungsform die vorbeschriebene Zwischenschicht zwischen den Plattenmedien und einer harten Schutzschicht vorgesehen, die ebenfalls Borid, Nitrid oder Karbid von Hafnium, Zirkon, Tantal oder Titan enthält. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die harte Schutzschicht das Oxid von Tantal, Titan oder Hafnium. Wie nachstehend beschrieben wird, ist die Art der Zwischenschicht teilweise von der Art des für den Schutzüberzug gewählten Materials abhängig.It should be noted that an intermediate layer of the type described above can also be provided in conjunction with coatings other than just ZrO₂. For example, according to one embodiment, the intermediate layer described above is provided between the disk media and a hard protective layer which also contains boride, nitride or carbide of hafnium, zirconium, tantalum or titanium. According to another embodiment of the invention, the hard protective layer comprises the oxide of tantalum, titanium or hafnium. As described below, the nature of the intermediate layer is partly dependent on the type of material chosen for the protective coating.
Die Fig. 1 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung der statischen und der dynamischen Reibung auf einer mit ZrO&sub2; beschichteten Platte, in deren Rahmen die Platte wiederholt in Drehrichtung aus dem Stillstand auf eine maximale Drehzahl von 300 UPM beschleunigt wurde (d. h. Start/Stopp-Zyklen gefahren wurden);Figure 1 shows the results of a study of the static and dynamic friction on a ZrO₂ coated plate, during which the plate was repeatedly accelerated in the direction of rotation from a standstill to a maximum speed of 300 rpm (i.e. start/stop cycles were performed);
die Fig. 2a und 2b geben eine Übersicht über die Ergebnisse einer Untersuchung der statischen und der dynamischen Reibung auf einem Paar herkömmlicher Platten mit Kohlenstoffbeschichtung, in deren Rahmen die Platten wiederholt in Drehrichtung aus dem Stillstand beschleunigt wurden;Figures 2a and 2b provide an overview of the results of a study of static and dynamic friction on a pair of conventional carbon-coated plates, in which the plates were repeatedly accelerated in the direction of rotation from rest;
die Fig. 3 zeigt Schwankungen des Koeffizienten der statischen Reibung in Abhängigkeit von der Anzahl der Start/ Stopp-Zyklen bei einer Reihe von Platten mit verschiedenen Überzügen;Fig. 3 shows variations in the coefficient of static friction as a function of the number of start/stop cycles for a series of plates with different coatings;
die Fig. 4 veranschaulicht die durch wiederholte Start/ Stopp- Zyklen bedingte Erhöhung der Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung zwischen einem Lese-Schreib-Kopf und einer Platte, bei der das ZrO&sub2; direkt auf dem Medium aufgebracht ist; undFigure 4 illustrates the increase in the coefficients of static and dynamic friction between a read/write head and a disk in which the ZrO2 is deposited directly on the medium due to repeated start/stop cycles; and
die Fig. 5 stellt die Erhöhung der Koeffizienten der dynamischen und der statischen Reibung zwischen einem Lese-Schreib- Kopf und einer Platte mit Chromüberzug dar, auf dem wiederum eine ZrO&sub2;-Beschichtung aufgebracht ist.Figure 5 shows the increase in the coefficients of dynamic and static friction between a read-write head and a chromium-coated disk on which a ZrO2 coating is applied.
Eine nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaute Festplatte wird durch Aufplattieren einer NiP-Schicht auf ein Aluminiumsubstrat hergestellt. Auf die NiP-Schicht wird sodann ein Film eines Magnetaufzeichnungsmediums aufgetragen. Der Film kann aus Co-Ni-Pt, Co-Ni, Co-Pt, Co-Ni-Cr, Co-Cr, Co-Cr-Ptoder einer anderen geeigneten Legierung auf Kobaltbasis bestehen und durch ein geeignetes Verfahren, wie zum Beispiel Vakuumverdampfung, Aufstäuben, Galvanisieren oder chemischen Plattierung aufgebracht werden. Außerdem können Co-P, Co-Ni-P sowie Legierungen auf Eisenbasis oder sonstige Legierungen verwendet werden. Das Aufzeichnungsmedium hat in der Regel eine Dicke von bis zu etwa 70 nm oder weniger.A hard disk constructed according to an embodiment of the invention is manufactured by plating a NiP layer onto an aluminum substrate. A film of a magnetic recording medium is then applied to the NiP layer. The film may be made of Co-Ni-Pt, Co-Ni, Co-Pt, Co-Ni-Cr, Co-Cr, Co-Cr-Pt or another suitable cobalt-based alloy and may be deposited by a suitable process such as vacuum evaporation, sputtering, electroplating or chemical plating. In addition, Co-P, Co-Ni-P and iron-based or other alloys may be used. The recording medium typically has a thickness of up to about 70 nm or less.
Eine ZrO&sub2;-Schicht wird sodann auf das Aufzeichnungsmedium normalerweise in einer Dicke zwischen 10 und 60 nm aufgestäubt. Die ZrO&sub2;-Schicht wird in der Regel durch Aufstäuben mittels einer HF-Diode oder eines HF-Magnetrons aufgebracht. Während der HF-Aufstäubung beträgt der Argongasdruck in der Aufstäubungsvorrichtung im allgemeinen 0,4 bis 4 Pa. Der ZrO&sub2;-Film kann ebenfalls durch Elektronenstrahlverdampfung, chemische Aufdampfung oder plasmaunterstützte chemische Aufdampfung aufgebracht werden. Die ZrO&sub2;-Schicht sollte nach Möglichkeit eine Korrosion im Magnetaufzeichnungsmedium verhindern. Dies ist in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt, die einen Vergleich zwischen der Korrosion bei mit ZrO&sub2; beschichteten Filmen und der Korrosion bei Filmen zeigt, die mit Kohlenstoff anstelle von ZrO&sub2; beschichtet sind. Die Daten in Tabelle l wurden in der Weise ermittelt, daß vier Platten auf die Dauer von 7 Tagen einer Umgebung mit 90 bis 95% relativer Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 80ºC ausgesetzt wurden. Die erste Platte gemäß der Tabelle 1 umfaßte ein Co-Ni-Pt- Medium mit einer 25 nm dicken Kohlenstoffbeschichtung, die zweite Platte eine Chromschicht mit einer Auflage aus einem Co-Ni-Medium mit einer 25 nm dicken Kohlenstoffbeschichtung, die dritte Platte ein Co-Ni-Pt-Medium mit einer 20 nm dicken ZrO&sub2;-Beschichtung und die vierte Platte ein Co-Ni-Pt-Medium mit einer 20 nm dicken Chromauflage mit einer 20 nm dicken ZrO&sub2;- Beschichtung. Die Bewertung der Korrosion erfolgt durch Sichtkontrolle, durch Magnetprüfungen und durch Gleithöhenuntersuchungen.A ZrO2 layer is then sputtered onto the recording medium, typically to a thickness between 10 and 60 nm. The ZrO2 layer is typically deposited by sputtering using an RF diode or an RF magnetron. During RF sputtering, the argon gas pressure in the sputtering device is generally 0.4 to 4 Pa. The ZrO2 film can also be deposited by electron beam evaporation, chemical vapor deposition or plasma enhanced chemical vapor deposition. The ZrO2 layer should, if possible, prevent corrosion in the magnetic recording medium. This is shown in Table 1 below, which shows a comparison between corrosion in films coated with ZrO2 and corrosion in films coated with carbon instead of ZrO2. The data in Table 1 were obtained by exposing four plates to an environment of 90 to 95% relative humidity and a temperature of 80ºC for a period of 7 days. The first plate in Table 1 comprised a Co-Ni-Pt medium with a 25 nm thick carbon coating, the second plate a chromium layer with a coating of a Co-Ni medium with a 25 nm thick carbon coating, the third plate a Co-Ni-Pt medium with a 20 nm thick ZrO₂ coating and the fourth plate a Co-Ni-Pt medium with a 20 nm thick chromium coating with a 20 nm thick ZrO₂ coating. The corrosion assessment is carried out by visual inspection, by magnetic tests and by sliding height tests.
Korrosion an Platten ist durch Sichtkontrolle feststellbar, da Filme auf Co-Basis korrodieren und Kobaltoxid oder Kobalthydroxid bilden und somit im Vergleich zum ursprünglichen Gold- oder Braunton ein bläuliches Aussehen annehmen.Corrosion on plates is detectable by visual inspection, as Co-based films corrode and form cobalt oxide or cobalt hydroxide, thus taking on a bluish appearance compared to the original gold or brown tone.
Die Magnetprüfung umfaßt die Kontrolle auf eine Zunahme der Anzahl von Fehlstellen an der Oberfläche der Platte nach Aussetzung an die vorbeschriebenen Bedingungen. Eine Zunahme der Anzahl von Fehlstellen ergibt sich dadurch, daß das magnetische Medium korrodiert und unmagnetisch wird, so daß mit dem Aufzeichnungskopf an der Korrosionsstelle keine Daten aufgezeichnet werden können. Eine nicht korrodierte Platte umfaßt in der Regel weniger als 10 Fehler je Oberfläche. Stieg die Fehlerzählung bei einer der Platten nach Tabelle 1 gegenüber der ursprünglichen Fehlerzählung um 20 Fehler an, so wurde die Platte als Ausfall angesehen.The magnetic test involves checking for an increase in the number of defects on the surface of the disk after exposure to the conditions described above. An increase in the number of defects occurs because the magnetic medium corrodes and becomes non-magnetic, so that the recording head cannot record data at the corrosion site. A non-corroded disk typically contains fewer than 10 defects per surface. If the defect count for any of the disks in Table 1 increased by 20 defects over the original defect count, the disk was considered a failure.
Ein Film hat den Anforderungen der Gleithöhenuntersuchung nicht genügt, wenn ein 125 nm oberhalb der Plattenoberfläche aufgehängter Lese-Schreib-Kopf während der Rotation auf eine Ansammlung von aus der Korrosion stammenden Rückständen auftraf. Wie ersichtlich, zeigten die mit ZrO&sub2; beschichteten Filme nach fünftägiger Aussetzung an die vorgenannten Bedingungen keinerlei Anzeichen von Korrosion, während die nicht mit ZrO&sub2; Beschichtung versehenen Filme aufgrund von Korrosion unbrauchbar wurden. Nach sieben Tagen bestanden beide mit ZrO&sub2;-Beschichtung versehenen Filme Sichtkontrolle, Magnetprüfung und Gleithöhenuntersuchung, obwohl bei einem der Filme eine leicht erhöhte Zunahme der Anzahl von Fehlstellen am siebten Tag zu verzeichnen war (möglicherweise durch Korrosionsbildung auf Flächen ohne ZrO&sub2;-Überzug weil zum Beispiel Staubpartikel vor dem Aufbringen der ZrO&sub2;-Beschichtung auf der Medienoberfläche zurückgeblieben waren).A film failed the slip height test if a read/write head suspended 125 nm above the disk surface encountered a buildup of corrosion-related debris during rotation. As can be seen, the ZrO2 coated films showed no signs of corrosion after five days of exposure to the above conditions, while the non-ZrO2 coated films became unusable due to corrosion. After seven days, both ZrO2 coated films passed visual inspection, magnetic testing, and slip height testing, although one of the films showed a slightly increased increase in the number of defects on the seventh day (possibly due to corrosion formation on non-ZrO2 coated areas, for example, due to dust particles remaining on the media surface prior to the ZrO2 coating application).
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, weisen die mit ZrO&sub2;- und ZrO&sub2;- Chromüberzug versehenen Platten eine sehr hohe Korrosionsfestigkeit auf, obwohl die Dicke des ZrO&sub2;-Überzugs weniger als 25 nm beträgt und die Dicke des ZrO&sub2;-Chromüberzugs unter 50 nm liegt. Diese Ergebnisse zeigen, daß der ZrO&sub2;-Überzug allein oder auch der ZrO&sub2;-Chromüberzug im Vergleich zu einem Kohlenstoffüberzug einen erstklassigen Korrosionsschutz für Hochleistungsplatten bietet. (Wie dies im Nachstehenden noch ausführlicher zu beschreiben sein wird, führt der Chromüberzug auch dazu, daß die ZrO&sub2;-Beschichtung eine bessere Haftung auf dem darunterliegenden Medium bewirkt und somit die Zuverlässigkeit der Platte steigert.) TABELLE 1 Tag: Test 70 nm dicke Co-Ni-Pt Legrg. beschichtet mit 25 nm dicker Kohlenstoffschicht 100 nm dicke Cr-Schicht mit 70 nm dicker Co-Ni Beschichtung u. mit 25 nm dicker Kohlenstoffschicht 70 nm dicke Co-Ni-Pt Beschichtung mit 20 nm dickem ZrO&sub2; 70 nm dicke Co-Ni-Pt Beschichtung mit 20 nm dickem Cr beschichtet mit 20 nm dickem ZrO&sub2; Sichtkontr. Magnetprfg. Gleithöhenprüfung. einwandfrei keine Änderung bestanden blaue Flecke Zunahme/Ablehnung nicht bestanden völlig blau winzige Fehler einwandfrei leichte ZunahmeAs can be seen from Table 1, the plates coated with ZrO₂ and ZrO₂-chromium have very high corrosion resistance, although the thickness of the ZrO₂ coating is less than 25 nm and the thickness of the ZrO₂-chromium coating is less than 50 nm. These results demonstrate that the ZrO₂ coating alone or the ZrO₂-chromium coating provides superior corrosion protection for high performance disks compared to a carbon coating. (As will be described in more detail below, the chrome coating also causes the ZrO₂ coating to adhere better to the underlying medium, thus increasing disk reliability.) TABLE 1 Day: Test 70 nm thick Co-Ni-Pt alloy coated with 25 nm thick carbon layer 100 nm thick Cr layer with 70 nm thick Co-Ni coating and with 25 nm thick carbon layer 70 nm thick Co-Ni-Pt coating with 20 nm thick ZrO₂ 70 nm thick Co-Ni-Pt coating with 20 nm thick Cr coated with 20 nm thick ZrO₂ Visual inspection Magnetic test Slide height test Perfect No change Pass Blue spots Increase/rejection Failure Completely blue Tiny defects Perfect Slight increase
Wird nach einer Ausführungsform das ZrO&sub2; auf das Magnetaufzeichnungsmedium aufgestäubt, so umfaßt das Aufstäubungsziel einen Stabilisator wie zum Beispiel Y&sub2;O&sub3;, LaO, CaO, ThO&sub2;, CeO&sub2;, MgO, HfO&sub2;, Sc&sub2;O&sub3; oder ein sonstiges Oxid aus der Gruppe der seltenen Erden. Des weiteren sind auch eine Anzahl anderer Stabilisatoren geeignet. (Der Stabilisator verhindert eine Phasenumwandlung des ZrO&sub2; in eine monokline Phase, so daß das Aufstäubungsziel für das ZrO&sub2; und der resultierende Film weniger spröde werden.) Ein typisches Aufstäubungsziel umfaßt nach der Erfindung einen Stabilisatorgehalt von 1 bis 20 Gew.-% (und bevorzugt 4 bis 15%) und ZrO&sub2; als Rest. (Ist die Stabilisatorkonzentration im Film zu hoch, so verringert sich dessen Festigkeit. Die Zusammensetzung des Films ist abhängig von der Zusammensetzung des Aufstäubungsziels.)If, in one embodiment, the ZrO₂ is sputtered onto the magnetic recording medium, the sputtering target comprises a stabilizer such as Y₂O₃, LaO, CaO, ThO₂, CeO₂, MgO, HfO₂, Sc₂O₃ or another rare earth oxide. A number of other stabilizers are also suitable. (The stabilizer prevents Phase transformation of the ZrO₂ into a monoclinic phase, so that the sputtering target for the ZrO₂ and the resulting film become less brittle.) A typical sputtering target according to the invention comprises a stabilizer content of 1 to 20 wt.% (and preferably 4 to 15%) and ZrO₂ as the balance. (If the stabilizer concentration in the film is too high, its strength is reduced. The composition of the film depends on the composition of the sputtering target.)
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt das ZrO&sub2;-Aufstäubungsziel einen Film mit einem Stabilisatoranteil von mehr als 20%.According to another embodiment of the invention, the ZrO2 sputtering target comprises a film having a stabilizer content of more than 20%.
Nach noch anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung umfaßt das Aufstäubungsziel Al&sub2;O&sub3; sowie einen Stabilisator zur weiteren Verbesserung der Härte des aufgestäubten Schutzüberzugs. Es ist zu beachten, daß sowohl Al&sub2;O&sub3; als auch der Stabilisator ein Reißen des Aufstäubungsziels verhindern. Nach einer Ausführungsform besteht das Ziel aus etwa 12% Y&sub2;O&sub3;, 5 bis 20% Al&sub2;O&sub3; und als Rest ZrO&sub2;. Filme mit dieser Zusammensetzung eignen sich besonders für Platten zum Einsatz von aus Titankarbid hergestellten Dünnschicht-Lese-Schreib-Köpfen. Darüberhinaus können im Aufstäubungsziel und somit im Schutzüberzug auch andere der Festigkeit förderliche Oxide wie beispielsweise CeO&sub2; oder TiO&sub2; enthalten sein.According to still other embodiments of the invention, the sputter target comprises Al₂O₃ and a stabilizer to further improve the hardness of the sputtered protective coating. It should be noted that both Al₂O₃ and the stabilizer prevent cracking of the sputter target. According to one embodiment, the target consists of about 12% Y₂O₃, 5 to 20% Al₂O₃ and the balance ZrO₂. Films with this composition are particularly suitable for disks for use with thin-film read/write heads made of titanium carbide. In addition, the sputter target and thus the protective coating can also contain other strength-enhancing oxides such as CeO₂ or TiO₂.
Wir haben festgestellt, daß die ZrO&sub2;-Beschichtung abgesehen von der Korrosionsbeständigkeit auch ausgezeichnete andere Festigkeitseigenschaften besitzt.We have found that the ZrO2 coating has excellent other strength properties in addition to corrosion resistance.
Fig. 1 zeigt die Ergebnisse einer statischen Reibprüfung einer Magnetplatte mit einem direkt auf das Co-Ni-Pt-Aufzeichnungsmedium durch HF-Aufstäuben aufgebrachten Überzug aus 88% ZrO&sub2; und 12% Y&sub2;O&sub3; als Stabilisator, während in den Fig. 2a und 2b die entsprechenden Resultate für zwei Magnetplatten enthalten sind, die anstelle des ZrO&sub2; und des Stabilisators mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtet sind. Die Platten gemäß den Fig. 2a und 2b weisen bei mikroskopischer Betrachtung leicht unterschiedliche Oberflächenstrukturen auf. Die in diesen Figuren enthaltenen Daten wurden in der Weise ermittelt, daß die Platten wiederholt aus dem Stillstand auf eine Drehzahl von 300 UPM beschleunigt und dann gestoppt wurden, wobei dann die auf auf den Lese-Schreib-Kopf durch statische Reibung zwischen dem Lese-Schreib-Kopf und den mit Kohlenstoffüberzug oder ZrO&sub2;-Beschichtung versehenen Platten einwirkende Querkraft gemessen wurde. Im Rahmen dieser Tests wurde jeder Lese-Schreib-Kopf mit einer senkrecht zur Plattenoberfläche beaufschlagten Kraft von 15 g gegen die entsprechende Platte gedrückt. Der Lese-Schreib-Kopf wurde in einem in etwa gleichen Abstand von der Plattenmitte in Position gebracht, bevor die Platte sich zu drehen begann. Mit dem Beginn der Plattendrehung wurde die auf den Kopf durch statische Reibung einwirkende Querkraft durch einen Meßwertgeber an der Kopfaufhängung gemessen. Ein vom Meßwertgeber erzeugtes Signal wurde sodann auf dem in den Fig. 1, 2a und 2b dargestellten Schreibstreifen aufgezeichnet. Der Koeffizient für die statische Reibung ist ungefähr proportional dem Abstand von Mitte der Wellenformen gemäß den Fig. 1, 2a und 2b zu der die Wellenformen umgebenden Hüllkurve 8. Auf den Schreibstreifen gemäß den Fig. 1, 2a und 2b führte jeder Start/Stopp-Zyklus zu einer Spitze nach oben wie beispielsweise die Spitze 10 und zwei Spitzen nach unten wie zum Beispiel die Spitzen 12. Der Koeffizient der statischen Reibung us entspricht der durch statische Reibung auf den Lese-Schreib-Kopf ausgeübten Kraft bei Teilen durch die normale Kopfbelastung, die in diesem Fall 15 g beträgt. Wie ersichtlich, nahm die dem Lese-Schreib-Kopf durch den kohlenstoffbeschichteten Überzug beaufschlagte statische Reibkraft weitaus schneller zu als die vom ZrO&sub2;beschichteten Überzug auf den Lese-Schreib-Kopf ausgeübte statische Reibkraft.Fig. 1 shows the results of a static friction test of a magnetic disk with a coating of 88% ZrO₂ and 12% Y₂O₃ as a stabilizer applied directly to the Co-Ni-Pt recording medium by HF sputtering, while Figs. 2a and 2b contain the corresponding results for two magnetic disks coated with diamond-like carbon instead of the ZrO₂ and the stabilizer. The disks according to Figs. 2a and 2b show, when viewed microscopically, slightly different surface textures. The data contained in these figures were obtained by repeatedly accelerating the disks from rest to a speed of 300 rpm and then stopping them, and measuring the transverse force acting on the read/write head due to static friction between the read/write head and the carbon-coated or ZrO₂-coated disks. During these tests, each read/write head was pressed against the corresponding disk with a force of 15 g applied perpendicular to the disk surface. The read/write head was positioned at an approximately equal distance from the center of the disk before the disk began to rotate. As the disk began to rotate, the transverse force acting on the head due to static friction was measured by a transducer on the head suspension. A signal generated by the transducer was then recorded on the writing strip shown in Figs. 1, 2a and 2b. The static friction coefficient is approximately proportional to the distance from the center of the waveforms of Figures 1, 2a and 2b to the envelope 8 surrounding the waveforms. On the write strips of Figures 1, 2a and 2b, each start/stop cycle resulted in one upward peak such as peak 10 and two downward peaks such as peaks 12. The static friction coefficient us corresponds to the force exerted by static friction on the read/write head at parts by the normal head load, which in this case is 15 g. As can be seen, the static friction force exerted on the read/write head by the carbon coated overlay increased much faster than the static friction force exerted by the ZrO2 coated overlay on the read/write head.
Gemäß der Fig. 1 wurde im Rahmen von etwa 45 Start/Stopp- Zyklen einer Platte mit ZrO&sub2;-Beschichtung durchgehend ein Koeffizient der statischen Reibung von weniger als 0,3 gemessen. Demgegenüber wurde entsprechend der Fig. 2a im Verlauf der ersten statischen Reibprüfung an einer kohlenstoffbeschichteten Platte für die statische Reibung zu Anfang ein Koeffizient von 0,4 gemessen, der dann bis zum achten Durchgang schnell auf etwa 0,8 anstieg.According to Fig. 1, a coefficient of static friction of less than 0.3 was measured throughout approximately 45 start/stop cycles of a plate with ZrO₂ coating. In contrast, according to Fig. 2a, during the first static friction test on a carbon-coated plate, Plate for static friction initially measured a coefficient of 0.4, which then quickly increased to about 0.8 by the eighth run.
Gemäß der Fig. 2b wurde anfänglich der Koeffizient der statischen Reibung mit 0,2 gemessen, der sich bis zum elften Durchgang auf etwa 0,8 erhöhte. (Der Lese-Schreib-Kopf entsprechend den Fig. 1, 2a und 2b wurde sowohl in Plusals auch in Minusrichtung bewegt. Der Grund hierfür ist die Schwingbewegung des Lese-Schreib-Kopfes während der Start/Stop- Prüfungen.)According to Fig. 2b, the coefficient of static friction was initially measured to be 0.2, which increased to about 0.8 by the eleventh pass. (The read-write head according to Figs. 1, 2a and 2b was moved in both plus and minus directions. The reason for this is the oscillating motion of the read-write head during the start/stop tests.)
Fig. 3 zeigt die Veränderung des Koeffizienten der statischen Reibung in Abhängigkeit von der Anzahl der Start/Stopp-Zyklen bei vier Platten mit einer herkömmlichen diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtung direkt auf einem Co-Ni-Pt-Film (Kurven 1 bis 4) und bei zwei Platten mit einer jeweils direkt auf einem Co-Ni-Pt-Film ausgebildeten Beschichtung aus 88% ZrO&sub2; und 12% Y&sub2;O&sub3; (Kurven 5 und 6). (Die in den Fig. 3 bis 5 aufgeführten Daten stammen aus Start/Stopp-Tests, die in der gleichen Weise wie die Prüfungen zu den Fig. 1, 2a und 2b durchgeführt wurden.) Die Oberflächenrauhigkeitsstrukturen der Platten entsprechend den Kurven 1 bis 4 waren verschieden, so daß sich bei diesen Platten unterschiedliche Eigenschaften in bezug auf die statische Reibung ergaben. So war vor allem die Oberfläche der NiP-Schicht auf dem Aluminiumsubstrat der Platte gemäß Kurve 1 (und somit die Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung der Platte gemäß Kurve 1) glatter als die Oberflächen der Platten gemäß den Kurven 2 bis 4, so daß die Platte gemäß Kurve 1 eine größere statische Reibung als die Platten gemäß den Kurven 2 bis 4 aufwies. Auch war die Oberflächenrauhigkeitsstruktur der Platten gemäß den Kurven 5 und 6 mit geringfügigen Unterschieden der der Platten gemäß den Kurven 2 bis 4 ähnlich.Fig. 3 shows the variation of the coefficient of static friction as a function of the number of start/stop cycles for four disks with a conventional diamond-like carbon coating directly on a Co-Ni-Pt film (curves 1 to 4) and for two disks with a coating of 88% ZrO2 and 12% Y2O3 each formed directly on a Co-Ni-Pt film (curves 5 and 6). (The data shown in Figs. 3 to 5 are from start/stop tests carried out in the same manner as the tests for Figs. 1, 2a and 2b.) The surface roughness structures of the disks corresponding to curves 1 to 4 were different, so that these disks had different properties with regard to static friction. In particular, the surface of the NiP layer on the aluminum substrate of the plate according to curve 1 (and thus the surface of the carbon coating of the plate according to curve 1) was smoother than the surfaces of the plates according to curves 2 to 4, so that the plate according to curve 1 had a higher static friction than the plates according to curves 2 to 4. Also, the surface roughness structure of the plates according to curves 5 and 6 was similar to that of the plates according to curves 2 to 4, with minor differences.
Wie ersichtlich, lag der Koeffizient der statischen Reibung bei einer ersten Platte mit ZrO&sub2;-Beschichtung zu Anfang bei 0,32, um dann nach 100 Zyklen (Kurve 5) auf einen Wert von 0,39 anzusteigen. Eine zweite Platte mit ZrO&sub2;-Beschichtung wies zunächst einen Koeffizienten der statischen Reibung von 0,39 auf, der sich dann nach 20 Zyklen auf 0,40 erhöhte (Kurve 6). Demgegenüber lag der Koeffizient der statischen Reibung bei der kohlenstoffbeschichteten Platte gemäß der Kurve 1 zu Anfang bei etwa 0,49, um sich dann nach nur fünfmaligem Anlaufen auf einen Wert von mehr als 1,4 zu erhöhen. Die anderen Filme mit Kohlenstoffbeschichtung wiesen zunächst Koeffizienten der statischen Reibung von 0,30; 0,35 bzw. 0,40 auf, die sich dann nach 45, 10 bzw. 20 Zyklen auf 0,90; 0,60 und 0,80 erhöhten (Kurven 2, 3 und 4). Demgemäß ist ersichtlich, daß mit ZrO&sub2; beschichtete Filme Koeffizienten der statischen Reibung aufwiesen, deren Werte im Lauf e der Zeit unter denen kohlenstoffbeschichteter Co-Ni-Pt-Filme lagen.As can be seen, the coefficient of static friction for a first plate with ZrO₂ coating was initially 0.32 and then after 100 cycles (curve 5) it decreased to a value of 0.39 to increase. A second plate with a ZrO₂ coating initially had a static friction coefficient of 0.39 which then increased to 0.40 after 20 cycles (curve 6). In contrast, the static friction coefficient of the carbon coated plate according to curve 1 was initially about 0.49 and then increased to a value of more than 1.4 after only five starts. The other carbon coated films initially had static friction coefficients of 0.30, 0.35 and 0.40 which then increased to 0.90, 0.60 and 0.80 after 45, 10 and 20 cycles respectively (curves 2, 3 and 4). Accordingly, it can be seen that with ZrO₂ coated films exhibited static friction coefficients that were lower than those of carbon-coated Co-Ni-Pt films over time.
Die Verschleißfestigkeit von mit ZrO&sub2;-Überzug versehenen Platten ist besser als die der Platten mit Kohlenstoffbeschichtung. Wir haben festgestellt, daß eine Platte mit ZrO&sub2;-Überzug ohne zusätzliches Gleitmittel mehr als 10 000 Schnellstart/Stopp- Zyklen standzuhalten vermag, während bei einer Platte mit Beschichtung aus diamantähnlichem Kohlenstoff ohne zusätzliches Gleitmittel die Tendenz zu einem Verschleiß innerhalb weniger als 5.000 Schnellstart/Stopp-Zyklen besteht. (Im Rahmen einer Schnellstart/Stopp-Zyklus-Prüfung wird die Platte wiederholt aus dem Stillstand auf eine Drehzahl von etwa 3600 UPM beschleunigt, so daß der Plattenkopf oberhalb der Medienoberfläche fliegend angeordnet ist. Dies steht im Gegensatz zu den in bezug auf die Fig. 1, 2a und 2b erörterten Start/Stopp- Zyklen, bei denen die Platte auf eine maximale Drehzahl von 300 UPM hochgefahren wird und eine fliegende Anordnung des Lese-Schreib-Kopfes niemals gegeben ist. Eine Schnellstart/- Stopp-Zyklus-Prüfung, mit der die tatsächlichen Einsatzbedingungen praxisnah simuliert werden, führt zu einem geringeren Verschleiß als eine Start/Stopp-Zyklusprüfung mit einer Drehzahl von 300 UPM.) Durch Aufbringen eines Gleitmittels erhöht sich die Verschleißfestigkeit bei Platten sowohl mit ZrO&sub2;- als auch Kohlenstoffbeschichtung so weit, daß eine einwandfreie Funktion der Platten selbst nach mehr als 50.000 Schnellstart/Stopp-Zyklen gegeben ist. (Typische Gleitmittel zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Magnetplatten sind in der vorerwähnten Suganuma-Arbeit erläutert.) Es kann jedoch festgestellt werden, daß nach einer großen Anzahl von Start/Stopp-Zyklen (zum Beispiel mehr als 10.000 Schnellzyklen) der Koeffizient der statischen Reibung einer Platte mit ZrO&sub2;- Beschichtung und Gleitmittelauftrag allgemein niedriger bleibt als der Koeffizient der statischen Reibung bei einer kohlenstoffbeschichteten Platte mit Gleitmittel.The wear resistance of ZrO₂ coated plates is better than that of carbon coated plates. We have found that a ZrO₂ coated plate can withstand more than 10,000 fast start/stop cycles without additional lubricant, while a diamond-like carbon coated plate without additional lubricant tends to wear in less than 5,000 fast start/stop cycles. (In a fast start/stop cycle test, the disk is repeatedly accelerated from a standstill to a speed of about 3600 RPM so that the disk head is suspended above the media surface. This is in contrast to the start/stop cycles discussed with reference to Figs. 1, 2a and 2b, in which the disk is accelerated to a maximum speed of 300 RPM and the read/write head is never suspended. A fast start/stop cycle test, which simulates the actual operating conditions, results in less wear than a start/stop cycle test at a speed of 300 RPM.) By applying a lubricant, the wear resistance of disks with both ZrO₂ and carbon coatings is increased to such an extent that the disks can function properly even after more than 50,000 rapid start/stop cycles. (Typical lubricants for improving the wear resistance of magnetic disks are explained in the aforementioned Suganuma paper.) However, it can be seen that after a large number of start/stop cycles (for example, more than 10,000 rapid cycles), the coefficient of static friction of a disk with ZrO₂ coating and lubricant application generally remains lower than the coefficient of static friction of a carbon-coated disk with lubricant.
Obwohl bei einer Platte mit einem Magnetmedium mit ZrO&sub2;- Beschichtung erstklassige Festigkeitseigenschaften zu verzeichnen sind, kann die Zuverlässigkeit einer solchen Platte durch Aufstäuben einer Zwischenschicht auf das Aufzeichnungsmedium vor Ausbildung der ZrO&sub2;-Beschichtung noch verbessert werden, wie dies im Vorstehenden erwähnt ist. Die Zwischenschicht umfaßt in der Regel Chrom, Zirkon, Hafnium, Titan, Tantal, Wolfram oder eine entsprechende Legierung. Bevorzugt sind diese Werkstoffe mit Magnetaufzeichnungsmedien wie zum Beispiel Co-Ni-Pt leicht legierbar, so daß eine starke Haftung auf den Medien gegeben ist. Außerdem ist bei jedem dieser Werkstoffe eine starke Haftung an ZrO&sub2; sichergestellt. Nach einem Ausführungsbeispiel weist die Zwischenschicht eine Dicke zwischen 1 und 10 nm und bevorzugt eine Dicke im Bereich von 3 bis 4 nm auf. Das Zwischenmaterial ist dünn, um die Gesamtdicke der auf dem Magnetmedium auf gebrachten Beschichtungen auf ein Minimum zu beschränken, wobei es aber dennoch eine so ausreichende Dicke besitzt, daß die Überdeckung des Mediums gewährleistet ist.Although a disk having a magnetic medium with a ZrO₂ coating exhibits superior strength properties, the reliability of such a disk can be further improved by sputtering an intermediate layer onto the recording medium prior to forming the ZrO₂ coating, as mentioned above. The intermediate layer typically comprises chromium, zirconium, hafnium, titanium, tantalum, tungsten or an equivalent alloy. Preferably, these materials are readily alloyable with magnetic recording media such as Co-Ni-Pt, so that strong adhesion to the media is provided. In addition, each of these materials ensures strong adhesion to ZrO₂. According to one embodiment, the intermediate layer has a thickness between 1 and 10 nm, and preferably a thickness in the range of 3 to 4 nm. The intermediate material is thin in order to minimize the overall thickness of the coatings applied to the magnetic medium, but still has sufficient thickness to ensure coverage of the medium.
Umfaßt die Zwischenschicht Chrom, so ist es im allgemeinen wünschenswert, ein unter hoher Vorspannung stehendes Aufstäubungsziel zu benutzen. Hierdurch wird gewährleistet, daß die aufgestäubten Chrompartikel mit hoher Geschwindigkeit auf das Aufzeichnungsmedien auftreffen und demgemäß die so gebildete Chromschicht stark auf dem darunterbefindlichen Medium haftet.When the intermediate layer comprises chromium, it is generally desirable to use a highly biased sputtering target. This ensures that the sputtered chromium particles impact the recording media at high speed and, consequently, the chromium layer thus formed adheres strongly to the underlying media.
Wie vorstehend erwähnt, verbessert die Zwischenschicht die Kontrolle der Zuverlässigkeit der Magnetplatte. Obwohl ein direkt auf Magnetmedien ausbildeter ZrO&sub2;-Schutzfilm einen erstklassigen Schutz gegen Verschleiß bietet, haben wir festgestellt, daß nach wiederholten Start/Stopp-Zyklen (zum Beispiel mehr als 100 Zyklen im Rahmen einer Start/Stopp- Zyklusprüfung mit Beschleunigung auf 300 UPM) der direkt auf den Magnetmedien ausgebildete ZrO&sub2;-Film bedingt durch die der Haftung zwischen dem ZrO&sub2;-Beschichtung und den Medien durch die vom Lese-Schreib-Kopf auf der ZrO&sub2;-Beschichtung ausgeübten Reibkraft beaufschlagte Beanspruchung Blasen bilden und sich abschälen kann. Dies führt zu einem Einschluß von Rückständen (hauptsächlich aus dem Überzugsmaterial bestehend) zwischen dem Kopf und der Medienoberfläche. Hieraus ergibt sich eine weitere Erhöhung der Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung, wobei der Verschleiß schließlich zu einer Kollision des Kopfes oder zu einem sprunghaft auftretenden Vollausfall in den Medien führt. Durch die Ausbildung der Zwischenschicht werden die Probleme des Abschälens und der Blasenbildung vermieden, die vorerwähnte Erhöhung der statischen und der dynamischen Reibung verringert und ein sprunghaft auftretender Vollausfall des Mediums oder eine Kollision des Kopfes verhindert.As mentioned above, the interlayer improves the control of the magnetic disk reliability. Although a ZrO2 protective film formed directly on magnetic media provides superior protection against wear, we have found that after repeated start/stop cycles (for example, more than 100 cycles in a start/stop cycle test with acceleration to 300 rpm), the ZrO2 film formed directly on the magnetic media can blister and peel off due to the stress imposed on the adhesion between the ZrO2 coating and the media by the frictional force exerted by the read/write head on the ZrO2 coating. This results in the entrapment of residues (consisting mainly of the coating material) between the head and the media surface. This results in a further increase in the coefficients of static and dynamic friction, with wear eventually leading to a collision of the head or a sudden complete failure in the media. The formation of the intermediate layer avoids the problems of peeling and blistering, reduces the aforementioned increase in static and dynamic friction and prevents a sudden complete failure of the media or a collision of the head.
Fig. 4 zeigt in Abhängigkeit von wiederholten Start/Stopp- Zyklen mit Beschleunigung auf 300 UPM den allmählichen Anstieg der statischen und der dynamischen Reibung zwischen einem Lese- Schreib-Kopf und einer zu 88% aus ZrO&sub2; und zu 12% aus Y&sub2;O&sub3; bestehenden Beschichtung, die durch HF-Magnetronaufstäubung direkt auf das Co-Ni-Pt-Aufzeichnungsmedien aufgebracht wird. Genau wie bei den Fig. 1, 2a und 2b ist der Abstand zwischen der Mitte der Wellenform nach Fig. 4 und der Wellenformhüllkurve proportional dem Koeffizienten der statischen Reibung. Der Abstand zwischen der Wellenformmitte und der unteren Hüllkurve im dunklen Bereich 14 der Wellenform ist proportional dem Koeffizienten der dynamischen Reibung. (Der dunkle Bereich 14 stellt die durch dynamische Reibung bedingte Verschiebung des Lese-Schreib-Kopfes dar.) Wie zu ersehen, liegen die Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung zu Anfang bei 0,2 bzw. 0,12, um dann nach etwa 231 Start/Stopp- Zyklen auf 0,6 bzw. 0,4 anzusteigen.Fig. 4 shows the gradual increase in static and dynamic friction between a read/write head and an 88% ZrO2/12% Y2O3 coating deposited directly onto Co-Ni-Pt recording media by RF magnetron sputtering as a function of repeated start/stop cycles with acceleration to 300 rpm. As with Figs. 1, 2a and 2b, the distance between the center of the waveform of Fig. 4 and the waveform envelope is proportional to the coefficient of static friction. The distance between the waveform center and the lower envelope in the dark region 14 of the waveform is proportional to the coefficient of dynamic friction. (The dark region 14 represents the displacement of the read/write head due to dynamic friction.) As can be seen, the Coefficients of static and dynamic friction initially at 0.2 and 0.12 respectively, and then increase to 0.6 and 0.4 respectively after about 231 start/stop cycles.
Fig. 5 zeigt in Abhängigkeit von wiederholten Start/Stopp- Zyklen mit Beschleunigung auf 300 UPM die Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung zwischen einem Lese- Schreib-Kopf und einer zu 88% aus ZrO&sub2; und zu 12% aus Y&sub2;O&sub3; bestehenden Beschichtung, die unter den gleichen Aufstäubungsbedingungen wie der ZrO&sub2;/Y&sub2;O&sub3;-Film nach Fig. 4 aufgebracht wurde, wobei jedoch zusätzlich ein Chromüberzug zwischen der ZrO&sub2;-Beschichtung und den NiPt-Aufzeichnungsmedien vorgesehen wird. Wie zu ersehen ist, liegen die Koeffizienten der statischen und der dynamischen Reibung zu Anfang bei 0,22 bzw. 0,21, wobei sie sich dann nach etwa 1008 Start/Stopp-Zyklen lediglich auf 0,4 bzw. 0,3 erhöhen. Somit wird deutlich, daß die Zwischenschicht die herausragenden Eigenschaften eines ZrO&sub2;- Schutzüberzugs auf einer Magnetplatte noch weiter verbessert.Figure 5 shows the static and dynamic friction coefficients between a read-write head and an 88% ZrO2 and 12% Y2O3 coating deposited under the same sputtering conditions as the ZrO2/Y2O3 film of Figure 4, but with the addition of a chromium coating between the ZrO2 coating and the NiPt recording media, as a function of repeated start/stop cycles with acceleration to 300 rpm. As can be seen, the static and dynamic friction coefficients are initially 0.22 and 0.21, respectively, and then increase only to 0.4 and 0.3, respectively, after about 1008 start/stop cycles. It is therefore clear that the intermediate layer further improves the outstanding properties of a ZrO2 protective coating on a magnetic disk.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Zwischenschicht zur Verbesserung auch anderer Schutzüberzüge als solcher aus ZrO&sub2; verwendet werden kann. Wird zum Beispiel das Oxid von Hafnium, Tantal oder Titan zur Ausbildung eines harten Schutzüberzugs auf einer Magnetplatte benutzt, so können für die Zwischenschicht Chrom, Zirkon, Hafnium, Tantal, Titan, Wolfram oder eine Legierung dieser Werkstoffe verwendet werden. Bei einer solchen Ausführungsform hat die harte Schutzschicht eine Dicke von etwa 20 nm und die Zwischenschicht eine solche von etwa 1 bis 10 nm.It should be noted that the intermediate layer can be used to improve protective coatings other than those made of ZrO₂. For example, if the oxide of hafnium, tantalum or titanium is used to form a hard protective coating on a magnetic disk, chromium, zirconium, hafnium, tantalum, titanium, tungsten or an alloy of these materials can be used for the intermediate layer. In such an embodiment, the hard protective layer has a thickness of about 20 nm and the intermediate layer has a thickness of about 1 to 10 nm.
Ist bei einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung eine Vielzahl von Schichten auf den Magnetaufzeichnungsmedien vorgesehen, so wird eine Zwischenschicht zwischen den Medien und der untersten der Vielzahl von Schichten ausgebildet, um die Haftung zwischen der Vielzahl von Schichten und den Medien zu verbessern.In yet another embodiment of the invention, when a plurality of layers are provided on the magnetic recording media, an intermediate layer is formed between the media and the lowermost one of the plurality of layers to improve the adhesion between the plurality of layers and the media.
Eine Zwischenschicht nach der Erfindung kann zum Beispiel unter Verwendung anderer mehrschichtiger Strukturen auf einer Magnetplatte ausgebildet werden.An intermediate layer according to the invention can be formed, for example, using other multilayer structures on a magnetic disk.
Desweiteren können anstelle eines Aluminiumsubstrats mit NiP- Beschichtung andere Substrate wie zum Beispiel solche aus Glas oder Keramik verwendet werden. Auch wird nach einigen Ausführungsbeispielen nach der Erfindung eine ZrO&sub2;-Schicht auf eine Diskette aufgebracht. Eine Beschichtung aus ZrO&sub2; kann erfindungsgemäß auch auf einem Magnetband oder einer Aufzeichnungstrommel ausgebildet werden. Demgemäß sind alle derartigen Abwandlungen als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen.Furthermore, instead of an aluminum substrate with NiP coating, other substrates such as those made of glass or ceramic can be used. Also, according to some embodiments of the invention, a ZrO₂ layer is applied to a diskette. A coating of ZrO₂ can also be formed on a magnetic tape or a recording drum according to the invention. Accordingly, all such modifications are to be considered to fall within the scope of the invention.
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